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CN103261544A - 用于强化混凝土或砂浆强化的且具有带有至少三个直部分的锚固端的钢纤维 - Google Patents

用于强化混凝土或砂浆强化的且具有带有至少三个直部分的锚固端的钢纤维 Download PDF

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CN103261544A
CN103261544A CN2011800601864A CN201180060186A CN103261544A CN 103261544 A CN103261544 A CN 103261544A CN 2011800601864 A CN2011800601864 A CN 2011800601864A CN 201180060186 A CN201180060186 A CN 201180060186A CN 103261544 A CN103261544 A CN 103261544A
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Abstract

本发明涉及一种用于强化混凝土或砂浆的钢纤维。所述钢纤维包括中间部分和位于所述中间部分的一个端部或两个端部处的锚固端。所述中间部分具有主轴线。所述锚固端至少包括第一直部分、第一弯曲部分、第二直部分、第二弯曲部分和第三直部分。第一直部分和第三直部分沿着相同的方向弯曲离开中间部分的主轴线。第二直部分与所述中间部分的主轴线基本上平行。本发明还涉及用根据本发明的钢纤维强化的混凝土结构，以及这些钢纤维在混凝土承载结构中的用途。

Description

用于强化混凝土或砂浆强化的且具有带有至少三个直部分的锚固端的钢纤维
技术领域
本发明涉及设有锚固端的用于强化混凝土或砂浆的钢纤维，从而在嵌入在混凝土或砂浆中时能够获得良好的锚固。钢纤维具有带有至少两个弯曲部的锚固端。根据本发明的钢纤维在嵌入在混凝土或砂浆中时在使用极限状态(SLS)以及最大极限状态(ULS)显示出良好的性能。
本发明还涉及包括这种钢纤维的混凝土或砂浆结构。
背景技术
混凝土为拉伸强度较低并且应变能力较低的脆性材料。为了改善混凝土的性能例如拉伸强度和应变能力，已经开发出纤维强化混凝土并且更具体地说金属纤维强化混凝土。
在本领域中已知的是，纤维的性能例如纤维密集度、纤维几何形状和纤维纵横比影响了强化混凝土的性能。
对于纤维几何形状而言，已知的是，其形状不是直形状的纤维使得纤维更好的锚固在混凝土或砂浆中。
还已知的是，在加入到混凝土或砂浆中或者与之混合时没有显示出形成球的趋势的纤维是优选的。在本领域已知有许多不同纤维几何形状的示例。例如，有在整个长度或其部分长度上设有起伏部的纤维。在WO84/02732中描述了在其整个长度上起伏的钢纤维的示例。具有钩形端部的纤维在本领域也是已知的。例如在US3,942,955中描述了这些纤维。
同样，还有其横截面形状在长度上变化的纤维，例如设有加厚部和/或压平部的纤维。
设有加厚部的钢纤维的示例为如在US4,883,713中所述的在每个末端处具有以钉头形式的加厚部的钢纤维。
日本专利6-294017描述了将钢纤维在其整个长度上压平。德国实用新型G9207598描述了只是将具有钩形端部的钢纤维的中部压平。US4,233,364描述了设有压平的的端部并且在与压平端部基本上垂直的平面中具有凸缘的直钢纤维。
从EP851957和EP1282751中描述了具有压平钩形端部的钢纤维。
用于混凝土强化的当前已知的现有技术纤维在已知应用领域例如工业地板、喷射混凝土、铺砌层…中非常有用。
但是，当前已知的现有技术纤维的缺点在于在使用低或中度剂量的纤维时在最大极限状态(ULS)下的性能相对较低。对于要求更高的结构用途例如梁和高架混凝土路面而言，采用高剂量例如0.5vol%(40kg/m3)以上并且不超过1.5vol%(120kg/m3)来在ULS下提供必要的性能。这些高剂量不便于钢纤维强化混凝土的混合和设置。
一些现有技术纤维在ULS下不起作用，因为它们在低于ULS所需的裂缝口张开位移下断裂。其他纤维例如具有钩形端部的纤维在ULS下不能很好起作用，因为它们设计为被拉出。
发明内容
本发明的目的在于提供用于混凝土或砂浆强化的钢纤维，从而避免了现有技术的缺陷。
另一个目的在于提供能够在根据欧洲标准EN 14651(2005年6月)进行三点弯曲试验期间能够桥接大于0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或甚至大于3mm的裂缝口张开位移的钢纤维。
本发明的另一个目的在于提供在混凝土或砂浆中显示出良好的锚固的钢纤维。
另一个目的在于提供在混合在混凝土或砂浆中时没有显示出形成球的趋势的钢纤维。
另外，本发明的目的在于提供优选用于结构用途的钢纤维，由此钢纤维以较低或中度剂量通常为1vol%的钢纤维或0.5vol%的钢纤维使用。
另外，另一个目的在于提供能够降低或避免用这些纤维强化的带裂缝混凝土在拉伸区域中出现蠕变行为的钢纤维。
根据本发明的第一方面，提供了用于强化混凝土或砂浆的钢纤维。
该钢纤维包括中间部分和位于中间部分的一个端部或两个端部处的锚固端。所述中间部分具有主轴线。所述锚固端至少包括第一、第二和第三直部分。每个直部分具有分别具有主轴线，即第一直部分的主轴线、第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线。
第一直部分通过第一弯曲部分与中间部分连接，第二直部分通过第二弯曲部分与第一直部分连接，第三直部分通过第三弯曲部分与第二直部分连接。
这意味着，第一直部分通过第一弯曲部分弯曲离开中间部分，第二直部分通过第二弯曲部分弯曲离开第一直部分，并且第三直部分通过第三弯曲部分弯曲离开第二直部分。
第一直部分弯曲离开中间部分的主轴线，由此限定了在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角。
第二直部分与中间部分的主轴线基本上平行。
第三直部分沿着与第一直部分弯曲离开中间部分的主轴线的方向相同的方向弯曲离开中间部分的主轴线，从而限定了在第二直部分的主轴线和所述第三直部分的主轴线之间的夹角。
在中间部分的主轴线和所述第一直部分的主轴线之间的夹角优选为100至160度。在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角优选为100至160度。
如上所述，第二直部分与中间部分的主轴线基本上平行。“基本上平行”指的是，与平行位置会有一些偏差。但是，如果有偏差，则该偏差较小或是意外的。小偏差指的是，与平行位置的偏差小于15度，更优选小于10度。
具有共同顶点的两个直部分限定了两个角度。这两个角度的总和等于360度。对于本发明而言，由具有共同顶点的两个直部分限定的这两个角度中的最小一个被称为“夹角”。
这意味着，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角限定为由中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线形成的角度。同样，在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角由第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线形成。
如上所述，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角优选为100至160度。这意味着，与在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角互补的角度为20至80度。
如果在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角大于160度(或者该夹角的补角低于20度)，则在混凝土或砂浆中的锚固性有限，并且在SLS和ULS中的性能较差。这种纤维显示出被拉出的趋势。如果在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角低于100度(或者该夹角的补角大于80度)，则这些纤维凝结，并且不会在混凝土或砂浆中均匀混合。
更优选的是，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角为110至160度(因此补角为20至70度)，例如为120至160度(因此补角为20至60度)，例如为150度(因此补角为30度)或140度(因此补角为40度)。
同样，在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角优选为100至160度。这意味着，与在第二直部分和第一直部分的主轴线之间的夹角互补的角度为20至80度。如果在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角大于160度(或者该夹角的补角低于20度)，则在混凝土或砂浆中的锚固性有限，并且在SLS和ULS中的性能较差。这种纤维显示出被拉出的趋势。
如果在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角低于100度(或者该夹角的补角大于80度)，则这些纤维凝结，并且不会在混凝土或砂浆中均匀混合。
更优选的是，在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角为110至160度(因此补角为20至70度)，例如为120至160度(因此补角为20至60度)，例如为150度(因此补角为30度)或140度(因此补角为40度)。
在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角和在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角可以相等或不同。
在具体实施方案中，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角和在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角相等或基本上相等。在该具体实施方案中，第一直部分的主轴线和第三部分的主轴线平行或基本上平行。
在本发明的优选实施方案中，锚固端还包括第四直部分。该第四直部分通过第四弯曲部分与第三直部分连接。这意味着，第四直部分通过第四弯曲部分弯曲离开第三直部分。
优选的是，但不是必要的是，第四直部分与中间部分的主轴线和第二直部分的主轴线平行。
具有四个直部分并且其中第二和第四直部分与中间部分的主轴线平行的钢纤维在埋入在混凝土或砂浆中时在SLS和ULS中表现出非常好的性能。
在可选实施方案中，第二直部分具有与钢纤维的中间部分的主轴线基本上平行的主轴线，并且第四直部分与钢纤维的中间部分的主轴线不平行。在该情况下，在第四直部分和中间部分的主轴线之间的角度为-60至+60度之间，例如在-45至+45度之间，或者在-30至+30度之间。
根据本发明的钢纤维的锚固端具有至少三个直部分。
原则上对于锚固端的直部分数量没有任何限制。但是，最优选的实施方案包括具有三个直部分、四个直部分、五个直部分或六个直部分的锚固端。在这些实施方案中的每一个中，在每两个连续的直部分之间设有弯曲部分。令人惊讶的是，已经发现，具有三个直部分和四个直部分的锚固端在埋入在混凝土或砂浆中时在拉出试验和三点弯曲试验中都表现出最佳的性能。
直部分例如第一、第二、第三和/或第四直部分优选其长度为0.1mm至8mm，更优选为0.1mm至5mm，例如为0.5mm或2mm。
不同直部分的长度可以相互独立的选择。这意味着，不同直部分可以具有相同的长度或不同的长度。
在优选实施方案中，不同直部分的长度是相等的。
实施例包括具有第一、第二、第三和第四直部分的钢纤维，所有直部分的长度为2mm。
可选实施例包括长度为0.5mm的第一直部分、长度为2mm的第二直部分、长度为0.5mm的第三直部分和长度为2mm的第四直部分。
第一弯曲部分具有第一曲率半径，第二弯曲部分具有第二曲率半径，第三弯曲部分具有第三曲率半径，第四弯曲部分(如果有的话)具有第四曲率半径。
这些弯曲部分的曲率半径优选为0.1mm至5mm，例如为0.5mm至3mm，例如为1mm、1.2mm或2mm。
钢纤维的不同弯曲部分的曲率半径可以相互独立的选择。这意味着，第一弯曲部分、第二弯曲部分、第三弯曲部分和第四弯曲部分(如果有的话)的曲率半径可以相同或可以不同。
根据本发明的钢纤维可以在中间部分的一个端部处设有一个锚固端。优选的是，钢纤维在钢纤维的两个端部处设有锚固端。在钢纤维在中间部分的两端处设有锚固端的情况下，这两个锚固端可以是相同的或者可以是不同的。
对于在中间部分的两端处具有锚固端的钢纤维而言，两个锚固端沿着相同的方向弯曲离开(偏离)钢纤维的中间部分的主轴线(对称钢纤维)。
可选的是，一个锚固端可以沿着一个方向弯曲离开(偏离)所述钢纤维的中间部分的主轴线，而所述另一个锚固端沿着相反的方向弯曲离开(偏离)所述钢纤维的中间部分的主轴线(不对称钢纤维)。
对于根据本发明的钢纤维而言，所述中间部分和所述锚固端优选位于一个平面中或者基本上位于一个平面中。
如有的话，所述另一个锚固端可以位于相同的平面中或者位于另一个平面中。
根据本发明的钢纤维的优点在于，它们在与混凝土或砂浆混合时不会混凝。这导致钢纤维在混凝土或砂浆上均匀的分布。
当以中度或较低剂量即以小于1vol%或小于0.5vol%例如0.25vol%的剂量使用时，根据本发明的钢纤维在混凝土或砂浆结构的使用极限状态(SLS)下以及在最大极限状态(ULS)下都特别有用。
在本领域已知的是，提高在混凝土中的纤维量对纤维强化混凝土的性能有积极影响。本发明的巨大优点在于，在钢纤维的剂量中度或较低的情况下在SLS和ULS下获得良好的性能。
对于本发明而言，用于评估在钢纤维强化混凝土的ULS和SLS中的性能的材料性能为残余弯曲拉伸强度fR,i。从在预定的裂缝口张开位移(CMOD)或跨距中点弯曲(δR)处的负载中推导出残余弯曲拉伸强度。
通过根据欧洲标准EN 14651(在本申请中进一步描述的)进行的三点弯曲试验来确定残余弯曲拉伸强度。
在CMOD1=0.5mm(δR,1=0.46mm)下确定出残余弯曲拉伸强度fR,1，在CMOD2=1.5mm（δR,2=1.32mm）下确定出残余弯曲拉伸强度fR,2，在CMOD3=2.5mm（δR,3=2.17mm）确定出残余弯曲拉伸强度fR,3，并且在CMOD4=3.5mm（δR,4=3.02mm）确定出残余弯曲拉伸强度fR,4。
残余弯曲拉伸强度fR,1为SLS设计的关键要求。
残余弯曲拉伸强度fR,3为ULS设计的关键要求。
对于根据本发明的钢纤维而言，与现有技术的钢纤维相反，即使在采用较低或中度剂量的钢纤维例如低于1vol%的剂量或低于0.5vol%的剂量例如0.25vol%的剂量时，在残余弯曲拉伸强度fR,3和残余弯曲拉伸强度fR,1之间的比值(fR,3/fR,1)也较高。
对于根据本发明的纤维而言，在采用低于1vol%或低于0.5vol%例如0.25vol%的剂量时，fR,3/fR,1优选大于1，并且更优选大于1.05或大于1.15，例如为1.2或1.3。
对于用剂量为0.5vol%的根据本发明的钢纤维强化的混凝土而言，采用C35/45混凝土的残余弯曲拉伸强度fR,3大于3.5MPa，优选大于5MPa，更优选大于6MPa，例如为7MPa。
现有技术的纤维例如由低碳钢制成的具有锥形端部(钉头)的钢纤维很好的将宽度或增长限制于大于0.5mm(SLS)。但是，这些纤维在ULS下性能较低。这种钢纤维在低于ULS所要求的裂缝口张开位移下断裂。
比值fR,3/fR,1对于在正常强度混凝土例如C35/45混凝土中的中剂量而言低于1。
本领域已知的其他纤维为具有钩形端部例如从EP851957中所知的设计成拉出的钩形端部的纤维。
对于这种纤维而言，比值fR,3/fR,1对于在正常强度混凝土中的适中剂量而言低于1。
最大负载能力Fm-拉伸强度Rm
根据本发明的钢纤维即根据本发明的钢纤维的中间部分具有较高的最大负载能力Fm。最大负载能力Fm为钢纤维在拉伸试验期间所承受的最大负载。
中间部分的最大负载能力Fm与中间部分的拉伸强度Rm直接相关，因为拉伸强度Rm为最大负载能力Fm除以钢纤维的初始横截面积。
对于根据本发明的钢纤维而言，钢纤维的中间部分的拉伸强度优选大于1000MPa，并且更优选大于1400MPa，例如大于1500MPa，例如大于1750MPa，例如大于2000MPa，例如大于2500MPa。
根据本发明的钢纤维的高拉伸强度使得钢纤维能够承受高负载。
更高的拉伸强度因此直接导致纤维的剂量更低。但是采用高拉伸强度的钢纤维只有在钢纤维在混凝土中表现出好的锚固性的情况下才有意义。
在最大负载下的延伸率
根据优选实施方案，根据本发明的钢纤维，更具体地说根据本发明的钢纤维的中间部分具有至少为2.5%的最大负载下的延伸率Ag+e。
根据本发明的具体实施方案，钢纤维的中间部分在最大负载下的延伸率Ag+e大于2.75%，大于3.0%，大于3.25%，大于3.5%，大于3.75%，大于4.0%，大于4.25%，大于4.5%，大于4.75%，大于5.0%，大于5.25%，大于5.5%，大于5.75%，或者甚至大于6.0%。
在本发明的上下文中，在最大负载下的延伸率Ag+e而不是在断裂下的延伸率At用来表征钢纤维，更具体地说钢纤维的中间部分的延伸率。
这样的原因在于，一旦已经达到最大负载，则钢纤维的可用表面收缩开始，并且不会承受更高的负载。
在最大负载下的延伸率Ag+e为在最大负载下的塑性延伸率Ag和弹性延伸率的总和。
在最大负载下的延伸率不包括由于钢纤维中间部分的波形特征(如果有的话)而导致的结构延伸率As。在波形钢纤维的情况下，在测量Ag+e之前首先将钢纤维拉直。
在最大负载下的这个高度延伸率Ag+e可以通过向制作这些钢纤维的钢丝施加特定的应力消除处理例如热处理来获得。在该情况下，至少钢纤维的中间部分处于应力消除状态中。
在最大负载下具有高延展性或高延伸率的钢纤维是优选的，这些纤维在根据EN 14651进行的三点弯曲试验中在大于0.5mm、大于1.5mm、大于2.5mm或大于3.5mm的CMOD’s处将不会断裂。
锚固力
优选的是，根据本发明的钢纤维在混凝土或砂浆中具有高锚固度。
通过根据本发明为钢纤维的中间部分设置锚固端，从而明显改善了钢纤维在混凝土或砂浆中的锚固度。
高度锚固性将避免纤维拉出。
与在最大强度下的高延伸率结合的高度锚固性将避免纤维拉出，避免纤维失效，并且将避免混凝土在拉伸中脆裂失效。
与高拉伸强度结合的高锚固度使得在出现裂纹之后拉伸强度得到更好的使用。
根据本发明的钢纤维例如具有至少1000MPa以上的拉伸强度Rm以及至少1.5%的在最大负载下的延伸率Ag+e，至少1000MPa的拉伸强度Rm以及至少2.5%的在最大负载下的延伸率Ag+e，至少1000MPa的拉伸强度Rm以及至少4%的在最大负载下的延伸率Ag+e。
在优选实施方案中，钢纤维具有至少1500MPa的拉伸强度Rm以及至少1.5%的在最大负载下的延伸率Ag+e，至少1500MPa的拉伸强度Rm以及至少2.5%的在最大负载下的延伸率Ag+e，至少1500MPa的拉伸强度Rm以及至少4%的在最大负载下的延伸率Ag+e。
在其他优选实施方案中，钢纤维具有至少2000MPa的拉伸强度Rm以及至少1.5%的在最大负载下的延伸率Ag+e，至少2000MPa的拉伸强度Rm以及至少2.5%的在最大负载下的延伸率Ag+e，至少2000MPa的拉伸强度Rm以及至少4%的在最大负载下的延伸率Ag+e。
具有高拉伸强度Rm的纤维可以承受高负载。其特征在于在最大负载下的延伸率Ag+e较高的纤维在根据EN 14651进行的三点弯曲试验中在大于0.5mm、大于1.5mm、大于2.5mm或大于3mm的CMOD’s处将不会断裂。
钢纤维的中间部分可以是直的或直线的，或者可以为波形的或波状的。优选的是，钢纤维的中间部分是直的或直线的。在中间部分为波形或波状的情况下，中间部分的主轴线限定为按照这样一种方式横穿波形或波状中间部分的直线，从而在该直线上方的波形部分或波状部分的总面积与在该直线下方的波形部分或波状部分的总面积相同。
钢纤维更具体地说中间部分可以具有任意横截面例如圆形横截面、基本上为圆形的横截面、矩形横截面、基本上为矩形的横截面、椭圆形横截面、基本上为椭圆形的横截面…。
钢纤维更具体地说钢纤维的中间部分通常其直径D为0.10mm至1.20mm，例如0.5mm至1mm，更具体地说为0.7mm或0.9mm。在钢纤维更具体地说钢纤维的中间部分的横截面不是圆形的情况下，该直径等于具有与钢纤维的中间部分的横截面相同的表面积的圆圈的直径。
钢纤维更具体地说钢纤维的中间部分通常其长度与直径比L/D为40至100。
钢纤维的长度例如为50mm、55mm、60mm或65mm。
钢纤维的长度指的是钢纤维的总长度即中间部分的长度和锚固端的长度的总和。
中间部分优选其长度大于25mm，例如大于30mm，大于40mm或大于45mm。
钢纤维或钢纤维的一部分可以压平或可以设有一个或多个压平部分。例如中间部分即中间部分的一部分、锚固端或锚固端的一部分可以压平或可以设有一个或多个压平部分。还可以考虑它们的组合。如果中间部分设有一个或多个压平部分，则这些压平部分优选靠近但不是紧挨着锚固端设置。
根据第二方面，提供了包括用根据本发明的钢纤维强化的混凝土结构的强化混凝土结构。强化混凝土结构可以用或可以不用除了根据本发明的钢纤维之外的传统强化件强化(例如预应力或拉伸后强化件)。
对于用根据本发明的钢纤维强化的强化混凝土结构而言，残余弯曲拉伸强度fR,3/残余弯曲拉伸强度fR,1(fR.3/fR,1)的比值优选大于1，但是更优选大于1.05，大于1.15，或者大于1.2，例如为1.3。在采用低剂量钢纤维例如低于1vol%的剂量或低于0.5vol%的剂量或甚至为0.25vol%的剂量时，到达该比值。
采用根据本发明的钢纤维的强化混凝土结构的残余弯曲拉伸强度fR,3优选大于3.5MPa，更优选残余弯曲拉伸强度fR,3大于4.5MPa，大于5MPa或者甚至大于6MPa。
用根据本发明的纤维强化的混凝土结构在ULS下的平均后断裂残余强度超过3MPa，例如大于4MPa，例如大于5MPa、6MPa、7MPa、7.5MPa。通过采用根据本发明的钢纤维，优选强化混凝土结构采用C35/45混凝土并且采用小于1vol%或甚至小于0.5vol%的剂量在ULS下的平均后断裂残余强度超过3MPa或超过4MPa。
根据本发明的钢纤维，优选强化混凝土结构采用C35/45混凝土并且采用小于1vol%或甚至小于0.5vol%的剂量在ULS下的平均后断裂残余强度超过5MPa。
重要的是要注意，在ULS下的平均后断裂残余强度超过3MPa或超过5MPa的强化混凝土结构是现有的。但是，现有技术已知的这些强化混凝土结构在正常强度混凝土或高强度混凝土中采用了高剂量（大于0.5vol%或大于1vol%）钢纤维，或者在高强度混凝土中采用了中剂量的高强度纤维。
根据第三方面，提供了根据本发明的钢纤维在混凝土承载结构中的用途。
附图说明
现在将参照附图对本发明进行更详细的说明。
图1显示出钢纤维的拉伸试验(负载-应变试验)。
图2显示出三点弯曲试验(负载裂缝口张开位移曲线或负载-弯曲曲线)。
图3显示出负载-裂缝口张开位移曲线。
图4a、图4b、图4c、图4d和图4e显示出根据本发明的钢纤维以及一些现有技术钢纤维的多个不同的实施方案。
具体实施方式
下面将参照具体实施方案以及一些附图对本发明进行说明，但是本发明不限于此，而只是由权利要求限定。所给出的附图只是示意性的并且是非限定性的。在这些附图中，一些元件的尺寸可以放大并且不是按比例绘制以便例举说明。这些尺寸和相对尺寸不是对应于本发明实施的实际缩小。
下面的术语只是用于帮助本发明的理解。
最大负载能力(Fm)：在拉伸试验期间钢纤维承受的最大负载。
最大负载延伸率(%)：在最大受力下钢纤维的计量长度的增大，表示为初始计量长度的百分比。
在断裂下的延伸率(%)：在断裂时计量长度的增大，表示为初始计量长度的百分比。
拉伸强度(Rm)：与最大负载(Fm)对应的应力。
应力：力除以钢纤维的初始横截面积。
剂量：加入到混凝土体积中的纤维量(用kg/m3或vol%表示(1vol%对应于78.5kg/m3，0.5vol%对应于40kg/m3))。
正常强度混凝土：其强度小于或等于在EN206中所规定的C50/60强度级别的混凝土强度的混凝土。
高强度混凝土：其强度大于在EN206中所规定的C50/60强度级别的混凝土的强度的混凝土。
为了说明本发明，对多种不同的钢纤维即现有技术钢纤维和根据本发明的钢纤维进行两种不同的试验：
拉伸试验(负载-应变试验)；以及
三点弯曲试验(负载裂缝口张开位移曲线或负载-弯曲曲线)。
在钢纤维上更具体地说在钢纤维的中间部分上施加拉伸试验。可选的是，在用于制造钢纤维的钢丝上施加拉伸试验。
拉伸试验用来确定钢纤维的最大负载能力Fm，并且用来确定在最大负载下的延伸率Ag+e。
如在EN 14651中所规定的一样在带槽强化梁上施加三点弯曲试验。
该试验用来确定残余弯曲拉伸强度。
在图1和图2中分别显示出这些试验。
图1显示出钢纤维的拉伸试验(负载-应变试验)的试验装置60。借助于试验装置60，测试钢纤维的最大负载能力Fm(断裂负载)、拉伸强度Rm和在最大负载下的总延伸率Ag+e。
首先切下所要试验的钢纤维的锚固端(例如放大或钩形端部)。将钢纤维的剩下的中间部分14固定在两对夹具62、63之间。通过夹具62、63，在钢纤维的中间部分14上施加逐渐增大的拉伸力F。通过测量出伸长计的夹子64、65的位移来测量出由于这个逐渐增大的拉伸力F而导致的位移或拉伸。L1为钢纤维的中间部分的长度，例如为50mm、60mm或70mm。L2为在夹具之间的位移，并且例如为20mm或25mm。L3为伸长计的计量长度，并且最小为10mm，例如为12mm例如15mm。为了更好的将伸长计夹在钢纤维的中间部分14上，可以将钢纤维的中间部分涂上涂层，或者可以用薄带覆盖以避免伸长计在钢纤维上滑动。通过这个试验，记录下负载-延伸率曲线。通过下面的公式计算出在最大负载下的百分比总延伸率。
Figure BDA00003344733800141
借助图1的装置60，测试多种不同钢丝的最大负载能力Fm(断裂负载)、拉伸强度Rm和在最大负载下的总延伸率Ag+e。
每个试样完成五个试验。表1给出了所测试的钢丝的概览。
表1
钢丝类型 碳含量 直径(mm) Fm(N) Rm(MPa) Ag+e(%)
1 低 1.0 911 1160 1.86
2 低 0.9 751 1181 2.16
3 高 0.89 1442 2318 5.06
4 中 0.75 533 1206 2.20
5 中 0.90 944 1423 1.84
低碳钢定义为最大碳含量为0.15%例如0.12%的钢，中碳钢定义为碳含量为0.15%至0.44%例如为0.18%的钢，并且高碳钢定义为碳含量大于0.44%例如为0.5%或0.6%的钢。
图2显示出三点弯曲试验的试验装置200。采用150×150×600mm棱形试样210根据欧洲标准EN 14651进行三点弯曲试验28天。在试样210的跨距中点中，用金刚石锯切出深度为25mm的单个沟槽512以便定位裂缝。该装置包括两个支撑辊214、216和一个加载辊218。该装置能够按照受控的方式操作，即产生出恒定的位移速度(CMOD或弯曲)。以在EN 14651中所规定的位移速度来进行这些试验。记录下负载-裂缝口张开位移曲线或负载-弯曲曲线。
在图3中给出了负载-裂缝口张开位移曲线的示例302。
根据EN 14651评价残余弯曲强度fR,i(i=1,2,3或4)，并且可以通过下面的公式计算出：
f R , i = 3 F R , i L 2 b h sp 2 ( N / mm ) 2
其中：
FR,i=对应于CMOD=CMODi或者δ=δR,i(i=1,2,3,4)的负载，
b=试样的宽度(mm)
hsp=在沟槽的顶端和试样的顶部之间的距离(mm)；
L=试样的跨距长度(mm)
借助图2的装置200，测试多种不同的钢纤维(FIB1至FIB5)在混凝土中的性能。对于该试验而言，将钢纤维埋入在C35/45混凝土中。固化时间为28天。
在表2中给出了所测试的钢纤维的概览。在表3中给出了现有技术钢纤维(FIB1和FIB5)的试验结果。在表4中给出了根据本发明的钢纤维(FIB2、FIB3和FIB4)的试验结果。
钢纤维的长度、用来制造钢纤维的钢丝类型、钢纤维的直径(更具体地说钢纤维的中间部分的直径)、锚固端的直部分的数量、在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角、第二直部分朝着中间部分的取向、在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角、第四直部分朝着中间部分的取向、在第四直部分的主轴线和第五直部分的主轴线之间的夹角来规定这些钢纤维。
在图4a至图4e中显示出不同纤维的几何形状。所有要试验的纤维1000在中间部分404的两个端部处具有锚固端402。
FIB1和FIB5为现有技术纤维。FIB1为包括具有两个直部分的低碳钢纤维(图4a)。FIB5为在两个端部处具有钉头作为锚固端的钢纤维。钢纤维FIB2、FIB3和FIB4为根据本发明的纤维。钢纤维FIB2、FIB3和FIB4包括具有3个弯曲部分(图4b)、4个直部分(图4c)和5个直部分(图4d)的锚固端。
在图4a中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404的两个端部处的锚固端402。中间部分404具有主轴线403。每个锚固端402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407和第二直部分408。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。
第二直部分408与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。
在图4b中所示的钢纤维1000包括中间部分404和位于中间部分404的两个端部处的锚固端402。中间部分具有主轴线403。每个锚固端402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部分408、第三弯曲部分409和第三直部分410。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。在第二直部分408的主轴线和第三直部分410的主轴线之间的夹角由β表示。
第二直部分408与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。
在图4c中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404的两个端部处的锚固端402。中间部分404具有主轴线403。每个锚固端402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部分408。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。第二直部分408与中间部分404的主轴线403平行或者基本平行。
在图4d中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404的两个端部处的锚固端402。中间部分404具有主轴线403。每个锚固端402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部分408、第三弯曲部分409、第三直部分410。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。在第二直部分408的主轴线和第三直部分410的主轴线之间的夹角由β表示。第二直部分408与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。
在图4c中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404的两个端部处的锚固端402。中间部分具有主轴线403。每个锚固端402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部分408、第三弯曲部分409、第三直部分410、第四弯曲部分411和第四直部分412。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。在第二直部分408的主轴线和第三直部分410的主轴线之间的夹角由β表示。第二直部分408和第四直部分412与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。
在图4d中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404的两个端部处的锚固端402。中间部分具有主轴线403。每个锚固端402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部分408、第三弯曲部分409、第三直部分410、第四弯曲部分411和第四直部分412、第五弯曲部分413和第五直部分414。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。在第二直部分408的主轴线和第三直部分410的主轴线之间的夹角由β表示。在第四直部分412的主轴线和第五直部分414的主轴线之间的夹角由γ表示。第二直部分408和第四直部分412与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。
在图4e中所示的钢纤维包括在中间部分404的两个端部处设有锚固端402的中间部分404。锚固端402包括钉头。
表2
Figure BDA00003344733800171
Figure BDA00003344733800181
α在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角
β在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角
γ在第四直部分的主轴线和第五直部分的主轴线之间的夹角
表3
纤维类型 剂量(kg/m3) fL fR,1 fR,2 fR,3 fR,3/fR,1
FIB1 40 5.48 3.75 3.85 3.68 0.98
FIB5 40 5.80 4.11 4.31 2.83 0.69
表4
纤维类型 剂量(kg/m3) fL fR,1 fR,2 fR,3 fR,3/fR,1
FIB1 40 5.81 5.0 6.01 5.89 1.17
FIB3 40 5.79 5.76 7.40 7.46 1.30
FIB3 20 5.56 3.06 3.51 3.54 1.16
FIB4 40 5.89 5.23 6.65 6.75 1.29
从表3和表4中可以总结出，现有技术纤维(FIB1和FIB5)的fR,3/fR,1低于1，而根据本发明的钢纤维(FIB2、FIB3和FIB4)的fR,3/fR,1大于1。
现有技术钢纤维(FIB1和FIB5)的残余弯曲拉伸强度fR,1、fR,2和fR,3较低，明显低于根据本发明的钢纤维(FIB2,FIB3和FIB4)的残余弯曲拉伸强度fR,1、fR,2和fR,3。
将采用了40kg/m3的剂量的根据本发明的钢纤维(FIB2,FIB3和FIB4)与采用了40kg/m3的剂量的现有技术钢丝(FIB1和FIB5)进行比较，根据本发明的钢纤维的残余弯曲拉伸强度fR,1、fR,2和fR,3明显大于现有技术的钢纤维。
以两种不同的剂量即20kg/m3和40kg/m3对钢纤维FIB3进行试验。这表示，这些钢纤维的性能与传统强化钢丝类似(基于应力-应变，代替基于应力-裂缝张口)。
比较钢纤维FIB2、FIB3和FIB4，可以总结出，残余弯曲拉伸强度fR,1、fR,2和fR,3随着直部分的数量从3增加到4而增大。
比值fR,3/fR,1也随着直部分的数量从3增大到4而增大。
通过将直部分的数量从4增大到5，残余弯曲拉伸强度fR,1、fR,2和fR,3以及比值fR,3/fR,1不再增大。
令人惊讶的是，包括具有四个直部分的锚固端的钢纤维表现出最佳的性能。
在对表2的钢纤维进行拉出试验以确定锚固力时，钢纤维FIB3(具有四个直部分)在混凝土中具有最佳的锚固性。
作为示例，可以如下制作根据本发明的钢纤维。
初始材料为盘条，其直径例如为5.5mm或6.5mm，并且其钢组分具有重量百分比(wt%)为0.50例如等于或大于0.60wt%的最低碳含量、0.20wt%至0.80%wt%的镁含量、0.10wt%至0.40wt%的硅含量。硫含量最大为0.04wt%，并且磷含量最大为0.04wt%。
通常的钢组分包括0.725%的碳、0.550%的镁、0.250%的硅、0.015%的硫和0.015%的磷。可选的钢组分包括0.825%的碳、0.520%的镁、0.230%的硅、0.008%的硫和0.010%的磷。在多个工序中对盘条进行冷拉拔直到其最终直径为0.20mm至1.20mm。
为了给予钢纤维在断裂时并且在最大负载下延伸率较高，可以对这样拉拔出的钢丝进行应力消除处理，例如通过让钢丝通过其长度适用于通过钢丝的速度的高频或中频加热线圈。已经观察到，在大约300℃的温度下进行一定时间的热处理导致拉伸强度降低大约10%，且不会提高在断裂时的延伸率和在最大负载下的延伸率。但是，通过将温度稍微提高至大于400℃，观察到拉伸强度进一步降低，同时在断裂时的延伸率增大并且在最大负载下的延伸率增大。
这些钢丝可以或不可以涂覆耐腐蚀涂层例如锌或锌合金涂层，更具体地说锌铝涂层或锌铝镁涂层。在拉拔之前或在拉拔期间，也可以将这些钢丝涂覆铜或铜合金涂层以便于拉拔操作。
然后将经过应力消除的钢丝切割至适当长度的钢纤维，并且给予钢纤维的端部适当的锚固或加厚。切割和钩形成型也可以通过适当的辊子在一个相同的操作步骤中完成。
根据US-A-4284667可以将这样获得的钢纤维胶粘在一起。
另外或可选的是，可以将所获得的钢纤维放在包装中，例如链式包装或带状包装中。例如在EP-B1-1383634中披露了链式包装，在申请人的欧洲专利申请No.09150267.4中披露了带状包装。

Claims (15)

1.一种用于强化混凝土或砂浆的钢纤维，所述钢纤维包括中间部分和位于所述中间部分的一个端部或两个端部处的锚固端，所述中间部分具有主轴线，所述锚固端至少包括第一、第二和第三直部分，所述第一直部分通过第一弯曲部分与所述中间部分连接，所述第二直部分通过第二弯曲部分与第一直部分连接，所述第三直部分通过第三弯曲部分与第二直部分连接，所述第一、第二和第三直部分中的每一个具有主轴线；
其特征在于，所述第一直部分弯曲离开所述中间部分的所述主轴线，从而限定了在所述中间部分的主轴线和所述第一直部分的主轴线之间的夹角，所述第二直部分与所述中间部分的主轴线基本上平行，并且所述第三直部分沿着与所述第一直部分弯曲离开所述中间部分的主轴线的方向相同的方向弯曲离开所述中间部分的主轴线，从而限定了在所述第二直部分的主轴线和所述第三直部分的主轴线之间的夹角，在所述中间部分的主轴线和所述第一直部分的主轴线之间的夹角以及在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角在100至160度之间。
2.如权利要求1所述的钢纤维，其中所述锚固端还包括第四直部分，所述第四直部分通过第四弯曲部分与所述第三直部分连接。
3.如权利要求2所述的钢纤维，其中所述第四直部分具有与所述中间部分的主轴线基本上平行的主轴线。
4.如权利要求2所述的钢纤维，其中在所述第四直部分的主轴线和所述中间部分的主轴线之间的角度在-60至+60度之间。
5.如前面权利要求中任一项所述的钢纤维，其中在所述中间部分的主轴线和所述第一直部分的主轴线之间的夹角和在所述第二直部分的主轴线和所述第三直部分的主轴线之间的夹角相同或基本上相同。
6.如前面权利要求中任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的中间部分具有至少为1000MPa的拉伸强度Rm。
7.如前面权利要求中任一项所述的钢纤维，其中所述中间部分具有至少为2.5%的最大负载下的延伸率Ag+e。
8.如前面权利要求中任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维处于应力消除状态。
9.如前面权利要求中任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分设有至少一个扁平部分。
10.如前面权利要求中任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分具有在0.1mm至1.20mm之间的直径。
11.如前面权利要求中任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的长度直径比L/D在40至100之间。
12.一种由如权利要求1至11中任一项所述的钢纤维强化的混凝土结构。
13.如权利要求12所述的混凝土结构，其中残余弯曲拉伸强度fR,3与残余弯曲拉伸强度fR,1的比值在所述钢纤维的量小于1vol%的情况下大于1。
14.如权利要求12或13所述的混凝土结构，其中所述残余弯曲拉伸强度fR,3在所述钢纤维的量小于1vol%的情况下大于5Mpa。
15.如权利要求1至11中任一项所述的钢纤维在混凝土承载结构中的使用。
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